壓力容器設(shè)計復習基本概念(下)

1、1,壓力容器設(shè)計復習,,基本概念(下),2,第四章 外壓容器設(shè)計,壓力容器設(shè)計復習,3,(1) 了解外壓容器失穩(wěn)破壞特點，掌握彈性失穩(wěn)、非彈性失穩(wěn)、臨界壓力、圓筒計算長度、臨界長度等概念及外壓容器穩(wěn)定性條件。(2) 掌握典型受載條件下(側(cè)向均布外壓、側(cè)向與軸向同時受均布外壓、僅軸向受壓)圓筒臨界壓力(或應(yīng)力)計算公式及其用作設(shè)計時相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m的取值。(3) 理解外壓圓筒圖算法原理，正確選擇設(shè)計參數(shù)，并熟練運用圖算法對外壓圓筒和封

2、頭進行穩(wěn)定性設(shè)計。(4) 掌握外壓圓筒加強圈設(shè)計計算方法，了解加強圈結(jié)構(gòu)和制造要求。,4.1 基本要求,第四章 外壓容器設(shè)計,4,(1) 外壓容器處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，可能出現(xiàn)的兩種失效形式是壓縮屈服破壞和失穩(wěn)破壞(即殼體在壓應(yīng)力下的突然皺折變形)，失穩(wěn)破壞是外壓薄壁容器的主要失效形式。容器失穩(wěn)時器壁中的壓應(yīng)力?低于材料比例極限?pt，則稱為彈性失穩(wěn)，反之為非彈性失穩(wěn)，因容器用鋼?pt與?yt相近，故可近似認為?<?yt為彈性失穩(wěn)

3、。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,5,(2) 使容器發(fā)生失穩(wěn)的最小外壓力稱為臨界壓力pcr，其主要影響因素有：① 容器材料的E、?或?y（非彈性失穩(wěn)）。② 容器結(jié)構(gòu)尺寸Do/te、L/Do及形狀偏差。其中，L/Do只針對外壓圓筒而言，反映端部約束對筒體的支承作用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,6,(3) 受側(cè)向均布外壓的圓筒按端部約束是否影響筒體穩(wěn)定性可劃分為短圓筒和長圓筒，其中約束的影響以約束件間的筒體

4、長度即筒體計算長度L表征，劃分標志是圓筒臨界長度Lcr。 如L>Lcr則約束件作用對筒體pcr無影響，稱為長圓筒，失穩(wěn)皺折波數(shù)n=2。 如L≤Lcr則約束件作用對筒體pcr有影響，稱為短圓筒，失穩(wěn)皺折波數(shù)n>2。 一圓筒上有多個剛性約束件(如封頭、法蘭、加強圈、夾套封閉件等)即為多段圓筒，其中凸形封頭所在圓筒段的計算長度L應(yīng)包括封頭直邊段及1/3的封頭深度。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,

5、7,(4) 外壓容器穩(wěn)定性設(shè)計目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞，條件是設(shè)計外壓力p不得高于穩(wěn)定性計算確定的許用外壓[p]，即滿足穩(wěn)定性條件p≤[p]=pcr/m；其中，設(shè)計外壓力p定義與內(nèi)壓時定義相同，具體取值方法可查表。許用外壓[p]由臨界壓力除以相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m確定；穩(wěn)定性系數(shù)m是考慮公式準確性和制造所能控制的容器形狀偏差等因素后所取的安全系數(shù)。穩(wěn)定性設(shè)計的核心問題是計算pcr并確定相應(yīng)的m，即可計算作用外壓[p]。,4.2 內(nèi)容提

6、要,第四章 外壓容器設(shè)計,8,(5) 圓筒臨界壓力pcr（或應(yīng)力?cr）計算（?=0.3）① 受側(cè)向均布外壓的圓筒：其pcr為可得圓筒臨界長度為：失穩(wěn)皺折波數(shù)n可近似計算,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,(4-2),(4-3),(4-4),(4-5),9,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,10,(6) 外壓圓筒設(shè)計（包括側(cè)向均布外壓或側(cè)向與軸向同時受均布外壓）① 穩(wěn)定性系數(shù)m：目前制造技術(shù)水平下GB150

7、規(guī)定外壓圓筒m=3，相應(yīng)要求圓筒直徑偏差e=Dmax-Dmin不得大于規(guī)定值。② 解析法設(shè)計：一般p、m、E、L、Di可一次性給定或計算，所以設(shè)計過程核心是根據(jù)假定的tn計算pcr(或[p])，直到滿足穩(wěn)定性條件p≤[p]=pcr/m 式。但解析法選用公式時要先假設(shè)長圓筒或短圓筒、彈性或非彈性失穩(wěn)，并由結(jié)果對假設(shè)進行校核，所以應(yīng)用不方便，尤其不便于解非彈性問題，因此工程設(shè)計一般用圖算法。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,11

8、,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,③圖算法原理：因為周向臨界應(yīng)力所以將長、短圓筒Pcr統(tǒng)一寫成長圓筒短圓筒于是根據(jù)許用外壓可得,(4-7),12,解析法求[p]核心是計算上式右邊項，而圖算法則將該項計算分成兩步：第一步先計算應(yīng)變?cr，因?cr與E無關(guān)、且僅需D0/te、L/D0兩個獨立變量，故將其作圖以便由從D0/te、L/D0直接查取?cr。該圖稱為外壓圓筒幾何參數(shù)計算圖，圖中?cr用A表示，長短圓筒、彈性或

9、非彈性失穩(wěn)均適用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,13,第二步再由?cr計算2/3E?cr，將應(yīng)力一應(yīng)變曲線縱坐標乘以2/3便可作出?cr計算2/3E?cr之關(guān)系曲線圖，稱為壁厚計算圖。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,橫坐標：A=?cr，縱坐標：2/3E?cr＝[P]D0/te用B表示，由A查B即得[p]。因塑性范圍使用了Et，故對非彈性失穩(wěn)亦適用。,14,④ 圖算法設(shè)計步驟：確定p、T、L、Di、C及材料→假

10、定tn計算te、D0、D0/te、L/D0 →由L/D0 、 D0/te查幾何參數(shù)計算圖得A →(根據(jù)材料及溫度T)由A查壁厚計算圖得B或?qū)椥允Х€(wěn)B＝2/3AE →計算[p]＝B/(D0/te) →校核p≤[p]是否滿足，若滿足且接近則tn合理，反之重設(shè)tn再次計算，直至滿足穩(wěn)定性條件。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,,15,(7) D0/te＜10的筒體(無論長短)失穩(wěn)時?cr ＞10％，可能發(fā)生塑性失穩(wěn)或屈服，應(yīng)同時考

11、慮穩(wěn)定性和強度校核。此時許用外壓[p]為：其中 ，B的計算與上相同，但當D0/te＜4時，B由 查取,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,(4-8),16,(8) 軸向受壓圓筒：按式(4-6)，取穩(wěn)定性系數(shù)m=4得彈性失穩(wěn)許用壓應(yīng)力[?]cr=?cr/m=0.0625E(te/Ri)。圖算法設(shè)計：不用前述幾何

12、參數(shù)計算圖，用前述壁厚計算圖，并規(guī)定B=[?]cr，因原圖中B=2EA/3，兩者相等得A=0.094/(Ri/te)，設(shè)計時由A查壁厚圖得B，即[?]cr，然后校核軸向壓應(yīng)力是否滿足穩(wěn)定性條件：?≤[?]cr,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,,17,(９) 外壓圓筒設(shè)置加強圈可減小計算長度，達到提高穩(wěn)定性或減小壁厚的目的。加強圈設(shè)置應(yīng)同時滿足三個要求：①加強圈間距　　

13、 ，以滿足短圓筒體穩(wěn)定性要求。②加強圈與殼體有效段實際組合慣性距Ｊs≥穩(wěn)定性要求的最小慣性距Ｊ，以滿足加強圈自身的剛度要求。③加強圈不得任意割斷，與筒體的焊接必須符合相關(guān)規(guī)定，以與筒體同時承載，起到加強作用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,18,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,19,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,(10) 外壓封頭設(shè)計(?=0.3)① 半球形封頭

14、：彈性小撓度臨界壓力公式:取m=14.52 (或經(jīng)驗式 許用外壓 )圖算法設(shè)計：設(shè)計時由 ，根據(jù)B=2EA/3，查取B值，得 ，其它步驟類似外壓圓筒。②橢圓形封頭：取當量曲率半徑Ri=KDi，然后按球殼設(shè)

15、計方法計算，Ｋ見“教材”表4-1或GB150，其中標準橢圓封頭K=1。,20,③碟形封頭：與球殼設(shè)計方法相同，其中Ri為封頭球殼部分的內(nèi)半徑。④錐形封頭：半錐角α>60?按平板設(shè)計；α≤60?看成當量圓筒，按外壓圓筒方法設(shè)計。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,21,(11) 外壓容器按內(nèi)壓容器進行耐壓試驗，液壓試驗壓力的確定見下表。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計,22,第五章 高壓容器設(shè)計,壓力容器設(shè)計復習

16、,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計,,23,本章主要研究厚壁圓筒在內(nèi)外壓力和溫差載荷作用下的應(yīng)力和變形等方面的概念和理論，及其計算方法。目的是解決高壓容器的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計問題。,第五章 高壓容器設(shè)計,24,(1) 理解厚壁圓筒應(yīng)力、變形的特點。(2) 了解拉美公式的推導過程，熟悉厚壁圓筒內(nèi)外壓力作用下應(yīng)力和位移的計算，掌握應(yīng)力的基本特征。(3) 掌握厚壁圓筒溫差應(yīng)力的分布規(guī)律，正確判斷在與壓力產(chǎn)生的彈性應(yīng)力組合時危險點

17、的位置。(4) 了解組合厚壁圓筒提高筒體承載能力的原理及應(yīng)力計算的方法。(5) 理解厚壁圓筒彈性應(yīng)力的概念及自增強計算的基本原理,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 基本要求,第五章 高壓容器設(shè)計,25,(1) 工程上通常將外徑與內(nèi)徑之比Do/Di>1.2的高壓圓筒形容器或管道等統(tǒng)稱為“厚壁圓筒”。在許多應(yīng)用場合，圓筒為等壁厚，并承受均勻的內(nèi)壓pi、外壓po和沿徑向分布不均的溫度變化T(從均勻基準溫度起計)，且T通常僅為徑向

18、坐標r之函數(shù)。在這樣條件下，圓筒的變形對稱于圓筒軸。此外，在離開圓筒與端蓋連接處足夠遠時，變形與軸向坐標z亦無關(guān)。由于只考慮軸對稱載荷和軸對稱約束，因此其位移、應(yīng)力、應(yīng)變均僅為r之函數(shù)(軸對稱)。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,26,(2)厚壁圓筒與薄壁圓筒的根本差別在于必須考慮徑向應(yīng)力?r，且這一應(yīng)力在其數(shù)量上足以與周向應(yīng)力??、軸向應(yīng)力?z相較量；此外，厚壁圓筒沒有薄壁圓筒中關(guān)于??沿全壁厚是

19、常數(shù)的基本假定，即厚壁圓筒中的應(yīng)力是三向的，其分布也非全均勻性，因此也是靜不定性的，要從幾何、物理和靜力等三方面進行綜合分析。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,27,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,28,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,29,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,4 在穩(wěn)定溫度

20、變化和軸對稱條件下，單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力為：式中α為材料的線膨脹系數(shù)；△t＝ti-to；ti內(nèi)壁面溫度，to外壁面溫度，C。,30,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,表5-2 單層厚壁圓筒內(nèi)外壁面處的溫差應(yīng)力,31,多層圓筒溫差應(yīng)力內(nèi)外壁面上的近似值為 ?0t≈?it＝2.0△t 在內(nèi)壓內(nèi)加熱情況下，當△t≤1

21、.1p或保溫良好，△t極小或高溫作業(yè)已達到發(fā)生蠕變變形可不予考慮溫差應(yīng)力。(5) 當內(nèi)壓與溫差同時存在時，呈線彈性厚壁圓筒中的綜合應(yīng)力可由上述3、4的結(jié)果疊加，其內(nèi)外壁面處的綜合應(yīng)力如下表所示。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,32,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,33,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,厚壁圓筒內(nèi)壓下的應(yīng)

22、力分布,單層厚壁圓筒的溫差應(yīng)力分布,34,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,就周向應(yīng)力而言，當內(nèi)壓內(nèi)加熱時，最大應(yīng)力在外壁處，外加熱時最大應(yīng)力在內(nèi)壁處；當外壓內(nèi)加熱時，最大應(yīng)力在內(nèi)壁處，外加熱時最大應(yīng)力在外壁外。,厚壁筒內(nèi)的綜合應(yīng)力,35,(6) 厚壁圓筒可以靠在最大應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生與工作應(yīng)力符號相反的殘余應(yīng)力分布——“預應(yīng)力法”來提高承載能力： 一是由兩個或更多個開口圓筒靠過盈配合而組成一個組合圓筒，

23、因過盈量在圓筒的接觸表面之間產(chǎn)生裝配壓力，由這種壓力在圓筒上產(chǎn)生了殘余應(yīng)力； 另一種是對單個圓筒在一開始承受很高內(nèi)壓使圓筒發(fā)生非彈性變形，卸去高壓后在圓筒中留下了有利的殘余應(yīng)力分布——“自增強技術(shù)”。 前者應(yīng)力分析的關(guān)鍵在于確定適當?shù)倪^盈量，以及過盈量與筒體之間套合壓力的關(guān)系；后者要合理確定自增強壓力以及殘余應(yīng)力的計算。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,36,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2

24、 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,37,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,38,第五章 高壓容器設(shè)計,壓力容器設(shè)計復習,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計,39,(1) 理解高壓圓筒三種設(shè)計準則的基本觀點及相應(yīng)的最大承載能力。(2) 掌握單層和多層圓筒壁厚的工程設(shè)計方法。(3) 了解幾種高壓容器密封結(jié)構(gòu)的原理與特點，學會對金屬平墊和雙錐墊的密封計算和被聯(lián)接件的強度核算。,5.2 高

25、壓容器的設(shè)計 5.2.1 基本要求,第五章 高壓容器設(shè)計,40,(1) 高壓容器一般處在高壓高溫和化學性介質(zhì)條件下工作，作為工程設(shè)計的核心問題首先是形成強度必需的厚壁，其次是密封所需的結(jié)構(gòu)，因此高壓容器的設(shè)計以結(jié)構(gòu)型式的多樣性、制造要求的嚴格性、密封結(jié)構(gòu)的復雜性而有別于中低壓容器。(2) 高壓圓筒按其喪失功能的可能方式或形式建立了三種設(shè)計準則，即彈性失效、塑性失效和爆破失效設(shè)計準則，它們的基本概念及最大承載能力(計算壓力)的比較如表

26、5-5所示。,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,41,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,42,(3) 工程上，當設(shè)計壓力小于35MPa或K≤1.2時，高壓圓筒的計算壁厚仍按照彈性夫效設(shè)計準則中的中徑公式計算，即當器壁在操作壓力和溫差同時作用下，應(yīng)作如下當量組合應(yīng)力校核①內(nèi)壓內(nèi)加熱筒體：②內(nèi)壓外加熱筒體：,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章

27、 高壓容器設(shè)計,43,對于多層組合圓筒，在不計筒體預應(yīng)力下，除熱應(yīng)力計算以及材料[σ]t取法不同外，其余跟單層圓筒計算相同。(4) 高壓容器密封按其工作原理分為強制式密封與自緊式密封兩大類。強制密封完全依靠緊固件的預緊力壓緊密元件使之密封；自緊密封主要依靠工作內(nèi)壓壓緊密封元件實現(xiàn)工作密封。前者結(jié)構(gòu)簡單，連接件(如主螺栓)尺寸大，壓力溫度波動時密封性差；后者結(jié)構(gòu)較復雜，但密封可靠。表5-6比較了分別為其代表的金屬平墊和雙錐環(huán)墊密封的結(jié)構(gòu)

28、牲及密封載荷的計算方法。,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,44,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,45,(5) 高壓容器的主要零部件包括筒體端部或端部法蘭、端蓋或底蓋，及連接件(如主螺栓)等。設(shè)計計算的任務(wù)是分析受載情況建立簡化的力學模型，確定初步尺寸和危險截面的應(yīng)力計算公式，進行應(yīng)力強度校核，反復對尺寸進行修正，直到滿足強度要求為止。學習時應(yīng)注意力學模型如何從實

29、際中抽象出來，怎樣進行簡化與假定，以及由此建立的計算公式應(yīng)用時的條件限制，這也是對任何承壓部件解題的基本方法之一。,5.2 高壓容器的設(shè)計 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計,46,壓力容器設(shè)計復習,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展6.1 近代壓力容器設(shè)計技術(shù)進展6.2 壓力容器的分析設(shè)計,47,(1) 了解壓力容器的失效模式(2) 了解壓力容器設(shè)計準則的發(fā)展(3) 了解壓力容器設(shè)計規(guī)范的主要進展(4) 了解近代壓

30、力設(shè)計方法的應(yīng)用,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.1 基本要求,48,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 一臺受壓容器，如果材料塑性韌性正常，設(shè)計正確，制造中未留下嚴重的缺陷，加壓直至爆破的全過程一般屬于韌性爆破過程。韌性爆破的全過程可以用圖示容器液壓爆破曲線OABCD來說明，加壓的幾個階段如下：,整體屈服壓力,爆破壓力,(A

31、)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,49,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ① OA段：彈性變形階段 內(nèi)壓與容器變形量成正比，呈現(xiàn)出彈性行為。A點表示內(nèi)壁應(yīng)力開始屈服，或表示容器的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服，容器的整體彈性行為到此終止。,整體屈服壓力,爆破壓力,(

32、A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,50,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ② AB段：屈服變形階段 容器從局部屈服到整體屈服的階段，以內(nèi)壁屈服到外壁也進入屈服的階段。B點表示容器已進入整體屈服狀態(tài)。如果容器的鋼材具有屈服平臺，這階段包含塑性變形越過屈

33、服平臺的階段，這是一個包含復雜過程的階段，不同的容器、不同的材料，這一階段的形狀與長短不同。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,51,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ③ BC段：變形強化階段 材料發(fā)生塑性變形強化，容器承載

34、能力提高。但體積膨脹使壁厚減薄，承載能力下降。兩者中強化影響大于減薄影響，強化提高承載能力的行為變成主要因素。強化的變化率逐漸降低，到C點時兩種影響相等，達到總體“塑性失穩(wěn)”狀態(tài)，承載能力達到最大即將爆破。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,52,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6

35、.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ④ CD段：爆破階段，減薄的影響大于強化的影響，容器的承載能力隨著容器的大量膨脹而明顯下降，壁厚迅速減薄，直至D點而爆裂。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,53,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,整體屈服

36、壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,(2) 容器的脆性爆破過程 容器的脆性爆破過程如圖中OA’，(或OA”)曲線。這種爆破指容器在加壓過程中沒有發(fā)生充分的塑性變形鼓脹，甚至未達到屈服的時候就發(fā)生爆破。爆破時容器尚在彈性變形階段或少量屈服變形階段。,54,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展

37、 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ① 過度變形 容器的總體或局部發(fā)生過度變形，包括過量的彈性變形，過量的塑性變形，塑性失穩(wěn)(增量垮坍)，例如總體上大范圍鼓脹，或局部鼓脹，應(yīng)認為容器已失效，不能保障使用安全。過度變形說明容器在總體上或局部區(qū)域發(fā)生了塑性失效，處于十分危險的狀態(tài)。例如法蘭的設(shè)計稍薄，強度上尚可滿足要求，但由于剛度不足產(chǎn)生永久變形，導致介質(zhì)泄漏，這是由于塑性失效的過度變形而導致的失效。,55,第六章 壓

38、力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ② 韌性爆破 容器發(fā)生了塑性大變形的破裂失效，相當于圖中曲線BCD階段情況下的破裂，這屬于超載下的爆破，一種可能是超壓，另一種可能是本身大面積的壁厚較薄。這是一種經(jīng)過塑性大變形的塑性失效之后再發(fā)展為爆破的失效，亦稱為“塑性失穩(wěn)”(Plastic collapse)，爆破后易引起災難性的后果。,56,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓

39、力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ③ 脆性爆破 這是一種沒有經(jīng)過充分塑性大變形的容器破裂失效。材料的脆性和嚴重的超標缺陷均會導致這種破裂，或者兩種原因兼有。脆性爆破時容器可能裂成碎片飛出，也可能僅沿縱向裂開一條縫；材料愈脆，特別是總體上愈脆則愈易形成碎片。如果僅是焊縫或熱影響較脆，則易裂開一條縫。形成碎片的脆性爆破特別容易引起災難性后果。,57,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展

40、 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ④ 疲勞失效 交變載荷容易使容器的應(yīng)力集中部位材料發(fā)生疲勞損傷，萌生疲勞裂紋并擴展導致疲勞失效。疲勞失效包括材料的疲勞損傷(形成宏觀裂紋)并疲勞擴展和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂等情況。容器疲勞斷裂的最終失效方式一種是發(fā)生泄漏，稱為“未爆先漏”(LBB, Leak Before Break)，另一種是爆破，可稱為“未漏先爆”。爆裂的方式取決于結(jié)構(gòu)的厚度、材料的韌性，并與缺陷的大小有關(guān)。疲勞裂紋的

41、斷口上一般會留下肉眼可見的貝殼狀的疲勞條紋。,58,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑤蠕變失效 容器長期在高溫下運行和受載，金屬材料隨時間不斷發(fā)生蠕變損傷，逐步出現(xiàn)明顯的鼓脹與減薄，破裂而成事故。即使載荷恒定和應(yīng)力低于屈服點也會發(fā)生蠕變失效，不同材料在高溫下的蠕變行為有所不同。 材料高溫下的蠕變損傷是晶界的弱化和在應(yīng)力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕

42、變空洞。時間愈長空洞則愈多愈大，宏觀上出現(xiàn)蠕變變形。 當空洞連成片并擴展時即形成蠕變裂紋，最終發(fā)生蠕變斷裂的事故。 材料經(jīng)受蠕變損傷后在性能上表現(xiàn)出強度下降和韌性降低，即蠕變脆化。 蠕變失效的宏觀表現(xiàn)是過度變形(蠕脹)，最終是由蠕變裂紋擴展而斷裂(爆破或泄漏)。,59,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑥ 腐蝕失效 這是與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的失效形式

43、。化工容器接觸的腐蝕性介質(zhì)十分復雜，腐蝕機理屬于兩大類：化學腐蝕與電化學腐蝕。區(qū)別在于形成腐蝕化合物過程中是否在原子間有電荷的轉(zhuǎn)移。就腐蝕失效的形態(tài)可分為如下幾種典型情況： ①全面腐蝕(亦稱均勻腐蝕)；②局部腐蝕；③集中腐蝕(即點腐蝕)；④晶間腐蝕；⑤應(yīng)力腐蝕；⑥縫隙腐蝕；⑦氫腐蝕；⑧選擇性腐蝕。 腐蝕發(fā)展到總體強度不足(由全面腐蝕、晶間腐蝕或氫腐蝕引起)或局部強度不足時，可認為已腐蝕失效。腐蝕發(fā)展輕者造成泄漏、局部塑性失穩(wěn)或總體

44、塑性失穩(wěn)，嚴重時可導致爆破。由應(yīng)力腐蝕形成宏觀裂紋，擴展后也會導致泄漏或低應(yīng)力脆斷。,60,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑦ 失穩(wěn)失效 容器在外壓(包括真空)的壓應(yīng)力作用下喪失穩(wěn)定性而發(fā)生的皺折變形稱為失穩(wěn)失效。皺折可以是局部的也可以是總體的。高塔在過大的軸向壓力(風載、地震載荷)作用下也會皺折而引起倒塌。,61,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容

45、器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑧ 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系統(tǒng)中每一個零部件的失效都會引起泄漏失效。例如法蘭的剛性不足導致法蘭的過度變形而影響對墊片的壓緊，緊固螺栓因設(shè)計不當或銹蝕而過度伸長也會導致泄漏，墊片的密封比壓不足、墊片老化缺少反彈能力都會引起泄漏失效。系統(tǒng)中每一零部件均會導致泄漏失效，所以密封失效不是一個獨立的失效模式，而是綜合性的。,62,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1

46、 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的交互失效模式① 腐蝕疲勞 在交變載荷和腐蝕介質(zhì)交互作用下形成裂紋并擴展的交互失效。由于腐蝕介質(zhì)的作用而引起抗疲勞性能的降低，在交變載荷作用下首先在表面有應(yīng)力集中的地方發(fā)生疲勞損傷，在連續(xù)的腐蝕環(huán)境作用下發(fā)展為裂紋，最終發(fā)生泄漏或斷裂。對應(yīng)力腐蝕敏感與不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞，交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)均加速了這一損傷過程的進程，使容器壽命大為降低。,63,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)

47、進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的交互失效模式 ②蠕變疲勞 這是指高溫容器既出現(xiàn)了蠕變變形又同時承受交變載荷作用而在應(yīng)力集中的局部區(qū)域出現(xiàn)過度膨脹以至形成裂紋直至破裂。蠕變導致過度變形，載荷的交變導致萌生疲勞裂紋和裂紋擴展。因蠕變和疲勞交互作用失效的容器既有明顯宏觀變形的特點又有疲勞斷口光整的特點。,64,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(4) 化工容

48、器的設(shè)計準則發(fā)展 彈性失效設(shè)計準則、塑性失效設(shè)計準則、爆破失效設(shè)計準則和失穩(wěn)失效設(shè)計準則逐步成熟運用于容器的工程設(shè)計。彈塑性失效設(shè)計準則、疲勞失效設(shè)計準則、斷裂失效設(shè)計準則以及蠕變失效設(shè)計準則，反映設(shè)計理論的進展與突破。腐蝕失效所對應(yīng)的設(shè)計準則比較復雜，它所涉及的不是一個獨立的準則。 各種不同的腐蝕失效形態(tài)所對應(yīng)的設(shè)計準則是多種多樣的，有些還沒有相應(yīng)的設(shè)計準則。,65,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.

49、1.2 內(nèi)容提要,(5) 分析設(shè)計規(guī)范大型高參數(shù)及高強材料的容器如何設(shè)計得更安全而又合理，一方面依靠詳細的應(yīng)力分析，另一方面更重要的是要正確估計各種應(yīng)力對容器失效的不同影響。將不同類型的應(yīng)力分別按不同的強度設(shè)計準則進行限制。對容器的危險點進行詳細的應(yīng)力分析，根據(jù)原因和性質(zhì)對應(yīng)力進行分類，按各類應(yīng)力對容器失效的危害性的差異采用不同的準則加以限制。即“以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計”，簡稱“分析設(shè)計”(Design by Analysis)。,

50、66,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(5) 分析設(shè)計規(guī)范ASME規(guī)范第Ⅷ卷“壓力容器”分為兩冊，第一冊(ASMEⅧ—1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(Design by Rules)規(guī)范，第二冊(ASMEⅧ—2)即為“分析設(shè)計”規(guī)范 (Design by Analysis) 。中國的容器分析設(shè)計規(guī)范于1995年以行業(yè)標準的形式正式公布，稱為“JB 4732鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準”。,67,

51、第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(6) 疲勞設(shè)計規(guī)范在交變載荷作用下容器應(yīng)力集中區(qū)域特別容易發(fā)生疲勞失效，壓力容器的疲勞屬于高應(yīng)變(即在屈服點以上的)低周次的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。根據(jù)大量實驗研究和理論分析建立了安全應(yīng)力幅(Sa)與許用循環(huán)周次(N)的低周疲勞設(shè)計曲線，即Sa—N曲線。成了壓力容器疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。由于疲勞設(shè)計必須以應(yīng)力分析和應(yīng)力分類為基礎(chǔ)，疲勞設(shè)計是壓力容器分析設(shè)計

52、的重要組成部分。,68,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(7) 防脆斷設(shè)計規(guī)范 低應(yīng)力脆斷是壓力容器的主要失效形式之一，特別是由高強度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生。容器設(shè)計中加入了“防脆斷設(shè)計”這一內(nèi)容。ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄A中引入了核容器在役檢驗時如何用斷裂力學方法對裂紋缺陷進行安全評定的內(nèi)容。我國于1984年制定了CVDA壓力容器缺陷評定規(guī)范。,69,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)

53、進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(8) 高溫容器蠕變設(shè)計的發(fā)展 高溫容器常規(guī)的設(shè)計方法僅在許用應(yīng)力按高溫蠕變強度或持久強度選取，不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設(shè)計問題。高溫蠕變失效問題的深入研究，將高溫下蠕變的變形速率及變形量作為高溫容器壽命設(shè)計的主要內(nèi)容，形成了近代高溫容器設(shè)計的新準則。由于高溫問題的復雜性，這一設(shè)計方法目前尚未進入規(guī)范。,70,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2

54、內(nèi)容提要,(9) 歐盟EN13445標準的問世 歐洲標準化組織(CEN)制訂的EN 13445非直接火壓力容器標準已于2002年問世，涵蓋了0.05MPa以上壓力容器的常規(guī)設(shè)計方法、應(yīng)力分類法、分析設(shè)計法與疲勞設(shè)計法，而且提出了許多設(shè)計的新概念及新設(shè)計方法。針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計方法是非常有特色的。以致在世界壓力容器技術(shù)標準方面形成了美國ASME和歐盟13445兩大體系的新格局。這些都非常值得重視和深入研究

55、。,71,壓力容器設(shè)計復習,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展6.1 近代壓力容器設(shè)計技術(shù)進展6.2 壓力容器的分析設(shè)計,72,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6.2.1 基本要求,(1) 了解分析設(shè)計的基本概念(2) 掌握對壓力容器各部分應(yīng)力進行應(yīng)力分類的方法。(3) 了解安定性原理。(4) 了解對壓力容器進行分析設(shè)計的方法和步驟。,73,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6

56、.2.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的載荷與應(yīng)力 ① 由壓力載荷引起的應(yīng)力由內(nèi)外介質(zhì)均布壓力載荷在回轉(zhuǎn)殼體中產(chǎn)生的應(yīng)力?？梢揽客廨d荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系求解。在薄壁殼體中這種應(yīng)力即為沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力，并在容器的總體范圍內(nèi)存在。厚壁容器中的應(yīng)力是沿壁厚呈非線性分布狀態(tài)，可以分解為均布分量和非均布分量。,74,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6.2.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的載荷與應(yīng)力 ② 由機械載荷引

57、起的應(yīng)力 壓力以外的其他機械載荷(如重力、支座反力、管道的推力)產(chǎn)生的應(yīng)力。這種應(yīng)力雖求解復雜，但也是符合外載荷與內(nèi)力平衡關(guān)系的。 這類載荷引起的應(yīng)力往往僅存在于容器的局部，亦可稱為局部應(yīng)力。 風載與地震載荷也是壓力載荷以外的其他機械載荷，也滿足載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系，但作用范圍不是局部的，而且與時間有關(guān)，作為靜載荷處理時遍及容器整體，是非均布非軸對稱的載荷。,75,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6.2.

58、2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (3) 由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力——以下三種情況均會產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力： ①幾何不連續(xù)(如曲率半徑有突變)； ②載荷不連續(xù)； ③材質(zhì)不連續(xù)。 例如夾套反應(yīng)釜的內(nèi)筒在與夾套相焊接的地方就同時存在幾何不連續(xù)與載荷不連續(xù)(實際上還有軸向溫度的不連續(xù))。 結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力不是由壓力載荷直接引起的，而是由結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)引起的，在殼體上的分布范圍較大，可稱為總體不連續(xù)應(yīng)力。其沿壁厚的分布有的是線性

59、分布有的也呈均布的。,76,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6.2.2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (4) 由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力： 殼壁溫度沿經(jīng)向(軸向)或徑向(厚度方向)存在溫差，便引起熱膨脹差，通過變形的約束與協(xié)調(diào)便產(chǎn)生應(yīng)力，這就是溫差應(yīng)力或稱熱應(yīng)力。引起熱應(yīng)力的“載荷”是溫差，溫差表明該類載荷的強弱，故稱為熱載荷，以區(qū)別于機械載荷。熱應(yīng)力在殼體上的分布取決于溫差在殼體上的作用范圍，有的屬于總體范圍

60、，有的是局部范圍。溫差應(yīng)力沿壁厚方向的分布可能是線性的或非線性的，有些則可能是均布的。,77,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計 6.2.2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (5) 由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力： 容器上的開孔邊緣、接管根部、小圓角過渡處因應(yīng)力集中而形成的集中應(yīng)力，其峰值可能比基本應(yīng)力高出數(shù)倍。數(shù)值雖大，但分布范圍很小。 應(yīng)力集中問題的求解一般不涉及殼體中性面的總體不連續(xù)問題，主要是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)

61、問題，并依靠彈性力學方法求解。 實際很難求得理論的彈性解，常用實驗方法測定或采用數(shù)值解求得。,78,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計法概述 (1) 薄膜應(yīng)力(Membrane stress) ：是沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分，其等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值。 (2) 彎曲應(yīng)力(Bending stress) ：是法向應(yīng)力沿截面厚度上的變化分量。沿厚度的變化可以是

62、線性的，也可以不是線性的。最大值發(fā)生在容器的表面處，設(shè)計時取最大值。分析設(shè)計的彎曲應(yīng)力是指線性的。(3) 法向應(yīng)力(Normal stress) ：垂直于所考慮截面的應(yīng)力分量，也稱正應(yīng)力。通常法向應(yīng)力沿部件厚度的分布是不均勻的，可將法向應(yīng)力視為由兩種成分組成，一是均勻分布的成分，該截面厚度應(yīng)力的平均值(即為薄膜應(yīng)力)；另一是沿截面厚度各點而變化的成分，可能是線性的，也可能是非線性的。,79,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力

63、容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計法概述 (4) 切應(yīng)力(Shear stress) ：是與所考慮截面相切的應(yīng)力成分 。 (5) 應(yīng)力強度(Stress intensity) ：某處的應(yīng)力若系三向或二向應(yīng)力時，其組合應(yīng)力基于第三強度理論的當量強度。規(guī)定為給定點處最大剪應(yīng)力的兩倍，即給定點處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的代數(shù)值(拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負值)之差。(6) 總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Gross structura

64、l discontinuity ) ：指幾何形狀或材料不連續(xù)，使結(jié)構(gòu)在較大范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布與變形產(chǎn)生顯著影響?？傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)的實例如：封頭、法蘭、接管、支座等與殼體的連接處，不等直徑或不等壁厚、或彈性模量不等的殼體的連接處。,80,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計法概述 (7) 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Local structural discont

65、inuity ) ：指幾何形狀和材料的不連續(xù)，僅使結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布和變形無顯著影響。例如小的過渡圓角處，殼體與小附件連接處，以及未全熔透的焊縫處。,81,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計法概述 各種應(yīng)力對容器失效的影響,內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效，即膜應(yīng)力可使筒體屈服變形，以致爆破。外壓引起總體剛

66、性失穩(wěn)，即形狀失穩(wěn)。其他機械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑性失效?？傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于相鄰部位存在相互約束，可能使部分材料屈服進入彈塑性狀態(tài)，可造成彈塑性失效。,82,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計法概述 各種應(yīng)力對容器失效的影響,總體熱應(yīng)力也會造成容器的彈塑性失效。應(yīng)力集中(局部結(jié)構(gòu)不連續(xù))及局部熱應(yīng)力使局部材料屈服，雖然可以造成彈

67、塑性失效，但只涉及范圍極小的局部，不會造成容器過度變形。在交變載荷作用下，這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)應(yīng)力會使容器出現(xiàn)疲勞裂紋，主要危害是導致疲勞失效。,83,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的應(yīng)力分類 應(yīng)力進行分類的基本原則是：,①應(yīng)力產(chǎn)生的原因，是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；②應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚的分布是均勻的還是線性

68、的或非線性的；③對失效的影響，即是否會造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及是否導致疲勞、韌性失效。 應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類：①一次應(yīng)力；②二次應(yīng)力；③峰值應(yīng)力。,84,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.1 壓力容器設(shè)計進展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的應(yīng)力分類 一次應(yīng)力P(Primary stress),一次應(yīng)力P也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡關(guān)系求得，由此一次應(yīng)